Light quenching in scintillator-based cryogenic detectors for dark matter searches

Abstract

Die Existenz von Dunkler Materie wird durch astrophysikalische und kosmologische Beweise gestützt, doch ihre wahre Natur bleibt eines der größten ungelösten Rätsel der Physik. Ein vielversprechender Ansatz zur Suche nach Dunkler Materie ist die direkte Detektion, die anstrebt, Wechselwirkungen zwischen Dunklen Materie-Teilchen und gewöhnlicher Materie in erdbasierten Detektoren zu identifizieren. Zu den führenden Projekten in diesem Bereich zählt das CRESST-Experiment, das den sub-GeV-Massenbereich potenzieller Dunkler Materie-Teilchen untersucht. COSINUS, ein Natriumiodid-basiertes Spin-off von CRESST, verfolgt das Ziel, die umstrittenen Ergebnisse des DAMA/LIBRA-Experiments zu überprüfen. Beide Experimente verwenden kryogene, scintillierende Kalorimeter, die sowohl Phonon- als auch Scintillationslichtsignale messen. Die Kombination dieser Signale ermöglicht Teilchenidentifizierung und Hintergrunddiskriminierung. Eine zentrale Herausforderung beim Betrieb und der Kalibrierung dieser Detektoren ist das Verständnis des Licht-Quenchings, eines Effekts, bei dem die Scintillationslichtausbeute von der Art der wechselwirkenden Teilchen abhängt. In dieser Arbeit wurde das Licht-Quenching in Calciumwolframat- und Natriumiodid-Kristallen durch spezielle Messungen mit Prototypen von CRESST- und COSINUS-Kalorimetern untersucht. Quenching-Faktoren für verschiedene ionisierende Teilchen wurden mit einem Maximum-Likelihood-Ansatz aus den Messdaten bestimmt. Die dabei verwendeten Analysetools sind Teil eines umfassenden Softwarepakets, das im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde und alle notwendigen Schritte zur Analyse der direkten Dunkle-Materie-Detektion unterstützt, einschließlich statistischer Inferenz sowohl zur Festlegung von Ausschlussgrenzen als auch zur Signaldetektion. Neben den Quenching-Faktor-Messungen wurde das Analyseframework auf Daten der ersten COSINUS-Untergrund-Testmessung angewandt, um das Funktionsprinzip des Experiments und dessen potenzielle Sensitivität durch die Berechnung von Ausschlussgrenzen zu demonstrieren. Die detaillierte Studie der Quenching-Faktoren und die Entwicklung eines umfassenden Analyseframeworks leisten wesentliche Fortschritte nicht nur für die CRESST- und COSINUS-Experimente, sondern auch für das gesamte Feld der "Rare Event Searches".

The existence of dark matter is strongly supported by astrophysical and cosmological evidence, yet its underlying nature remains one of the great unsolved mysteries in physics. One promising approach to uncovering the nature of dark matter is through direct detection, which aims to identify interactions between dark matter particles and ordinary matter in Earth-based detectors. At the cutting edge of this research is the CRESST experiment, designed to explore the sub-GeV mass region of dark matter particles. COSINUS, a sodium iodide-based spin-off of CRESST, focuses on cross-checking the controversial dark matter signal claim made by the DAMA/LIBRA experiment. Both experiments employ cryogenic scintillating calorimeters with dual-channel readout systems that measure phonon and scintillation light signals for particle identification and background discrimination. A key challenge in operating and calibrating these detectors is understanding the light quenching effect, where the scintillation light output depends on the type of interacting particle. This thesis presents a detailed study of light quenching in calcium tungstate and sodium iodide crystals, conducted through dedicated measurements with CRESST and COSINUS prototype dual-channel calorimeters. Quenching factors for various ionizing particles were extracted using a maximum likelihood framework. The analysis tools employed throughout this work are part of a comprehensive software package developed within this thesis, which supports all high-level analysis steps necessary for dark matter direct detection, including statistical inference for both setting limits and signal detection. In addition to the quenching factor measurements, the analysis framework was applied to data from the first COSINUS underground R\&D measurements, demonstrating the experiment’s working principle and potential sensitivity by calculating exclusion limits. The detailed study of scintillation light quenching factors and the development of a comprehensive analysis framework represent substantial advances not only for the CRESST and COSINUS experiments but also for the broader field of rare event searches.